模具氮化處理常見缺陷及對策
/ 2021/6/5 14:41:40
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模具進行氮化處理可顯著提高模具表面的硬度、耐磨性、抗咬合性、抗腐蝕性能和抗疲勞性能。由于滲氮溫度較低，一般在500-650℃范圍內(nèi)進行，滲氮時模具芯部沒有發(fā)生相變，因此模具滲氮后變形較小。一般熱作模具鋼(凡回火溫度在550-650℃的合金工具鋼)都可以在淬火、回火后在低于回火溫度的溫度區(qū)內(nèi)進行滲氮；一般碳鋼和低合金鋼在制作塑料模時也可在調(diào)質(zhì)后的回火溫度下滲氮；一些特殊要求的冷作模具鋼也可在氮化后再進行淬火、回火熱處理。實踐證明，經(jīng)氮化處理后的模具使用壽命顯著提高，因此模具氮化處理已經(jīng)在生產(chǎn)中得到廣泛應用。但是，由于工藝不正確或操作不當，往往造成模具滲氮硬度低、深度淺、硬度不均勻、表面有氧化色、滲氮層不致密、表面出現(xiàn)網(wǎng)狀和針狀氮化物等缺陷，嚴重影響了模具使用壽命。
因此本文研究模具滲氮層缺陷、分析其產(chǎn)生的原因、探討減少和防止?jié)B氮缺陷產(chǎn)生的工藝措施，對提高模具的產(chǎn)品質(zhì)量，延長使用壽命具有十分重要的意義。
缺陷類型及原因分析
1
模具滲氮層硬度偏低
模具滲氮表層硬度偏低將會降低模具的耐磨性能，大大減少滲氮模具的使用壽命。
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)滲氮模具表層含氮量低。這是由于滲氮時爐溫偏高或者在滲氮第一階段的氨分解率過高，即爐內(nèi)氮氣氛過低。
(2)模具預先熱處理后基體硬度太低。
(3)滲氮爐密封不良、漏氣或初用新的滲氮罐。
預防措施：適當降低滲氮溫度，對控溫儀表要經(jīng)常校正，保持適當?shù)臐B氮溫度。模具裝爐后應緩慢加熱，在滲氮第一階段應適當降低氨分解率。滲氮爐要密封，對漏氣的馬弗罐應及時更換。新滲氮罐要進行預滲氮，使爐內(nèi)氨分解率達到平穩(wěn)。對因滲氮層含氮量較低的模具可進行一次補充滲氮，其滲氮工藝為：滲氮溫度520℃，滲氮時間8～10h，氨分解率控制在20％-30％。在模具預先熱處理時要適當降低淬火后的回火溫度，提高模具的基體硬度。
2
模具滲氮層淺
模具滲氮層淺將會縮短模具硬化層耐磨壽命。
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)模具滲氮時間太短、滲氮溫度偏低、滲氮爐有效加熱區(qū)的溫度分布不均勻、滲氮過程第一階段氮濃度控制不當(氨分解率過高或過低)等。
(2)模具裝爐前未清除掉油污及裝爐量過多、模具間距太近。
預防措施：
(1)要嚴格控制裝爐前模具表面質(zhì)量、裝爐量、爐內(nèi)溫差和氮氣氛、滲氮時間和溫度。
(2)加強滲氮爐密封，保證爐內(nèi)氮氣氛循環(huán)正常。并按工藝要求控制氨分解率。
(3)對已經(jīng)出現(xiàn)滲氮層不足的模具可進行二次滲氮，嚴格按照滲氮第二階段工藝補充滲氮。
3
模具滲氮層硬度不均勻或有軟點
模具滲氮層不均勻或有軟點將會使模具在使用時性能不穩(wěn)定，薄弱區(qū)域首先磨損較多，造成整個模具的早期損壞失效，嚴重影響模具的使用壽命。
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)由于滲氮爐上、下不均衡加熱或氣流不通暢，爐內(nèi)溫度不均勻。
(2)氨氣通入管道局部堵塞，影響爐內(nèi)氮氣氛；爐內(nèi)氨氣循環(huán)不良。
(3)模具裝爐前未很好清理表面油污。
(4)滲氮爐內(nèi)模具裝載太多或爐內(nèi)模具間距太小、部分有接觸。
預防措施：
(1)嚴格控制滲氮爐內(nèi)上、下區(qū)爐溫，使其始終保持在同一溫度區(qū)內(nèi)。
(2)定期清理氨氣進氣管道，保持管道的通暢。
(3)模具裝爐前需用汽油或酒精等脫脂，經(jīng)過清洗后的模具表面不能有油污或其它臟物。
(4)模具裝爐時，模具間要保持一定距離，嚴防模具工作面接觸和重疊。
(5)爐內(nèi)氣氛循環(huán)要充分，滲氮爐要密封好，對漏氣的馬弗罐應及時更換。
4
模具滲氮后表面有氧化色
模具滲氮后發(fā)生表面氧化不僅影響模具外觀質(zhì)量，而且影響模具表面的硬度和耐磨性，嚴重影響模具使用壽命。
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)氣體滲氮罐漏氣或爐蓋密封不良。
(2)提供氨氣的干燥裝置中的干燥劑失效，通入爐中的氨氣含有水分。
(3)滲氮結(jié)束后隨爐冷卻時供氧不足造成罐內(nèi)負壓，吸入空氣造成氧化色。
(4)模具氮化后出爐溫度過高在空氣中氧化。
預防措施：
(1)要經(jīng)常檢查設備，對漏氣的馬弗罐應及時更換，要保持爐蓋密封良好。
(2)氨氣干燥裝置中的干燥劑要定期更換。
(3)滲氮后的模具違禁詞采用油冷。對要求嚴格控制變形的模具在滲氮結(jié)束冷卻時要繼續(xù)提供少量氨氣，避免爐內(nèi)產(chǎn)生負壓。出爐溫度控制在200℃以下，避免滲氮模具在空氣中氧化。
(4)對已經(jīng)產(chǎn)生氧化的滲氮模具可在低壓下噴細砂清除，并重新加熱到510℃左右再進行4h滲氮，滲氮后爐冷至200℃以下出爐。
5
模具滲氮后變形
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)模具結(jié)構(gòu)設計不合理、形狀復雜等。模具在機械加工后的殘余應力未能很好消除。
(2)氣體滲氮爐內(nèi)溫度不均勻，模具裝爐后加熱升溫過快或出爐時冷卻速度太快。
(3)因滲氮層產(chǎn)生的組織應力帶來形狀變化，滲層愈厚影響愈大。因此若工藝參數(shù)不當，滲氮溫度過高、時間過長、氮勢過高、產(chǎn)生過厚滲氮層等都會使變形量增大。
(4)模具裝爐方法不合理，爐內(nèi)溫度不均勻、氨氣流通不穩(wěn)不暢等。
預防措施：
(1)設計制造模具時應該盡量使模具結(jié)構(gòu)對稱合理，避免厚薄懸殊。
(2)對淬火后的模具應充分進行回火，對機械加工后的模具應進行退火消除應力。
(3)制定合理的滲氮工藝。盡量采用合理量、較低的滲氮溫度、合適的氮化層深度和氮氣氛。對變形要求較小和形狀復雜的模具應嚴格控制加熱和冷卻速度，冷卻時要隨爐降溫，出爐溫度應低于200℃，并應檢查爐溫，嚴格控制滲氮爐上下區(qū)的溫差。
6
模具滲氮后表層出現(xiàn)網(wǎng)狀及波紋狀、針狀或魚骨狀氮化物及厚的白色脆性層
模具滲氮后表層出現(xiàn)網(wǎng)狀及波紋狀、針狀或魚骨狀氮化物及厚的白色脆性層將會導致模具韌性降低、脆性增加、耐沖擊性能減弱、產(chǎn)生疲勞剝落、耐磨性能降低，大大降低模具的使用壽命。
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)一些熱處理廠家片面強調(diào)提高勞動生產(chǎn)率，在制定工藝文件和實際操作時滲氮溫度過高升溫加熱和降溫冷卻速度過快；控溫儀表失靈、爐內(nèi)實際溫度比儀表指示溫度高。如溫度過高時擴散層中的氮化物便聚集長大、彌散度下降、在晶界上形成高氮相的網(wǎng)狀或波紋狀組織。
(2)模具預備熱處理時淬火加熱溫度過高、模具基體晶粒過大
(3)液氨含水量高，通入氣體滲氮爐中的氨氣含有水分。
(4)模具設計制造不合理，有尖角銳邊。
(5)氣體滲氮爐中氨分解率太低即氮勢過高。
(6)預備熱處理時，淬火加熱未在保護氣氛中進行，模具表層脫碳嚴重，在滲氮后極易出現(xiàn)針狀、魚骨狀氮化物。
預防措施：
(1)正確制定模具氮化處理工藝，氮化溫度選擇在500~580℃，一般不要超過580℃，并定期對控溫儀表進行校正，升溫加熱速度不宜過快。
(2)模具預備熱處理的淬火加熱溫度不宜過高，以免
模具材料內(nèi)部組織中馬氏體晶粒過大；加熱應在保護氣氛中進行，避免模具氧化脫碳；調(diào)質(zhì)件應在機械加工中把脫碳層切除掉。
(3)氨氣要經(jīng)過干燥裝置再通入滲氮爐中，干燥劑要定期更換。
(4)模具設計制造時應盡量避免銳角尖邊。
(5)嚴格控制滲氮爐中的氨分解率，不應使爐中氮勢過高。
(6)對已經(jīng)產(chǎn)生網(wǎng)狀及波紋狀氮化物的模具可在540℃左右的爐中進行10~15h的擴散處理， 以便有效消除模具氮化層中的網(wǎng)狀及波紋狀氮化物。
7
模具滲氮層不致密、抗蝕性差
模具如在潮濕或堿性工作環(huán)境中工作，還應具有一定的抗蝕性。有抗蝕要求的模具如因滲氮層不致密而導致抗蝕性差將會使模具在使用時發(fā)生銹蝕，使模具早期失效，影響模具的使用壽命。
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)模具氮化前表面粗糙度大。
(2)模具裝爐前表面有銹蝕，影響滲氮層質(zhì)量。
(3)氣體滲氮爐內(nèi)氨分解率過高，模具滲氮層表面氮濃度太低
(4)在一定的溫度下，滲氮時間太短，模具滲氮層滲氮不足。
預防措施：
(1)模具滲氮裝爐前應仔細清理其表面，不得有銹蝕存在。
(2)模具滲氮時應采用合適的氨分解率，合理的滲氮時間，滲氮后應快冷。
(3)對滲氮層不致密的模具把其表面清理干凈后嚴格按照氣體滲氮工藝規(guī)則再進行一次滲氮。
本文簡要論述了模具滲氮后滲氮層硬度低、滲氮層淺、模具表面硬度不均有軟點、滲氮后表面有氧化色、滲氮后變形大、滲氮后表層出現(xiàn)滲氮層不致密及抗蝕性差等缺點的特征、危害性、產(chǎn)生原因及其預防措施。模具氮化時要嚴格執(zhí)行滲氮工藝規(guī)則及操作規(guī)程，嚴把每道工序的質(zhì)量關，如發(fā)生模具氮化缺陷要認真分析其原因，找出解決的方法。只有這樣才能提高模具的氮化質(zhì)量。
